Jagten på mørkt stof indsnævres af ny forskning

Forskere ved University of Sussex har modbevist eksistensen af ​​en specifik type axion - en vigtig kandidat 'mørkt stof'-partikel - på tværs af en bred vifte af dens mulige masser.

Dataene er indsamlet af et internationalt konsortium, Neutron Electric Dipole Moment (nEDM) samarbejde, hvis eksperiment er baseret på Paul Scherrer Institut i Schweiz. Der blev taget data, og tidligere, ved Institut Laue-Langevin i Grenoble.

Professor Philip Harris, Leder af matematiske og fysiske videnskaber ved University of Sussex, og leder af nEDM-gruppen der, sagde:

"Eksperter er stort set enige om, at en stor del af massen i universet består af 'mørkt stof'. Dets natur, imidlertid, forbliver helt uklar. En slags hypotetisk elementarpartikel, der kan udgøre det mørke stof, er den såkaldte axion. Hvis der findes aksioner med de rigtige egenskaber, ville det være muligt at opdage deres tilstedeværelse gennem denne helt nye analyse af vores data.

"Vi har analyseret de målinger, vi tog i Frankrig og Schweiz, og de giver bevis for, at aksioner - i det mindste den slags, der ville have været observerbare i eksperimentet - ikke eksisterer. Disse resultater er tusind gange mere følsomme end tidligere, og de er baseret på laboratoriemålinger snarere end astronomiske observationer. Dette udelukker ikke fundamentalt, at der findes aksioner, men omfanget af egenskaber, som disse partikler kunne have, er nu tydeligt begrænset.

"Resultaterne sender i det væsentlige fysikere tilbage til tegnebrættet i vores jagt på mørkt stof."

Det har været troet i årtier, at axion-partikler kan udgøre i det mindste noget af 'mørkt stof' - de ting, som vi ved er i vores univers, men som ikke kan ses. Axioner er vigtige, fordi at finde dem, hvis de findes, kunne indeholde nøglen til, hvorfor universet har masser af stof, men relativt lidt antistof. Lige mængder stof og antistof ville være blevet skabt, da universet begyndte, og det hele burde have udslettet gensidigt, men universet har tydeligvis nu masser af stof – men i det væsentlige ingen antistof – tilovers; vi forstår ikke hvorfor.

Dette er det første eksperiment, der bruger laboratorieudstyr - snarere end astronomiske observationer - til at undersøge denne type axion. Tidligere, fysikere havde gradvist indsnævret rækkevidden af ​​mulige masser af aksionen gennem teleskopbaserede eksperimenter. Forskningen offentliggjort i dag udsletter en hel del af potentielle masser. Som resultat, partikelteoretikere, der forsøger at forklare universets oprindelse og mørkt stofs natur, bliver nødt til at gå tilbage til tegnebrættet, mens de reviderer, begrænse og tune deres modeller. Der er sat et vigtigt benchmark for fremtidige eksperimentelle søgninger; og andre eksperimenter, arbejder med relaterede emner, vil være i stand til at analysere deres data på denne nye måde for at udvide følsomheden yderligere.

Dataene blev indsamlet til et andet formål - for at se på, hvorfor universet er domineret af stof og ikke antistof - da det blev indset, at målingerne også kunne bruges til at søge efter tilstedeværelsen af ​​aksioner. Eksperimentet fungerede ved at fange neutroner, derefter påføre en højspænding på deres beholder for at se, om det påvirkede hastigheden, hvormed de spinder. En ændring i denne hastighed ville indikere, at de har en forvrænget struktur - og ændringer i den forvrængning over tid (fra minutter til år) ville indikere, at der var aksioner til stede. Ingen sådanne forvrængninger blev set, og derfor blev der ikke påvist aksioner. Selve nEDM-eksperimentet er en "klassiker" inden for partikelfysik, har kørt i en eller anden form med stadigt stigende følsomhed siden 1950, og udelukker mange teorier undervejs. Det er en af ​​de mest følsomme målinger, det er muligt at foretage, og Sussex-ledede målinger har givet verdens bedste følsomhed konstant siden 1999.

Nicholas Ayres, en kandidatstuderende på School of Mathematical and Physical Sciences ved University of Sussex og medleder af denne særlige analyse, sagde:

"Disse resultater åbner en ny front i jagten på mørkt stof. De modbeviser eksistensen af ​​aksioner med en bred vifte af masser og er derfor med til at begrænse mangfoldigheden af ​​partikler, som kunne være kandidater til mørkt stof. Og det er fantastisk at se, at disse resultater - som blev indsamlet til et helt andet formål - kunne også bruges som en piggyback til at søge efter aksioner."

Professor Philip Harris forklarer, hvordan dataene kan bruges til at søge efter aksioner såvel som til dets oprindelige tilsigtede formål:

"I vores oprindelige eksperiment tog vi en enkelt måling og gentog den mange gange for at bestemme gennemsnitsværdien over lang tid. Når vi søger efter aksioner, vi holder øje med, om målingen svinger over tid med en konstant frekvens. Hvis så, det ville være et bevis på, at der havde været en vis vekselvirkning mellem neutronen og aksionen. Det så vi aldrig. "

Eksperimentet udelukker ikke eksistensen af ​​aksioner helt. For det første, aksionerne skulle have interageret stærkt nok med neutronerne til, at enhver ændring i dens rotationshastighed kunne ses. For det andet deres masse kan enten være større eller mindre end forventet. Det gør det, imidlertid, give vigtige nye begrænsninger, og det viser vejen frem til fremtidige undersøgelsesveje for at hjælpe med at løse et af kosmologiens store enestående mysterier. Disse eksperimenter giver et vigtigt bidrag til søgen efter mørkt stof.

Papiret, "Søg efter Axionlike Dark Matter gennem Nuclear Spin Precession i elektriske og magnetiske felter, " er offentliggjort i Fysisk gennemgang X .